Các nhà khoa học Đức kết hợp hai loại vật liệu hấp thụ để phát triển pin mặt trời với hiệu suất chuyển đổi ánh sáng 24%.
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Thomas Riedl tại Đại học Wuppertal cùng các chuyên gia tại Viện Hóa Lý thuộc Đại học Cologne, Đại học Potsdam, Đại học Tübingen, viện nghiên cứu Helmholtz - Zentrum Berlin và viện nghiên cứu sắt Max-Planck, phát triển pin mặt trời xếp đôi đạt hiệu suất 24% - đo theo lượng photon được chuyển đổi thành điện.
Pin mặt trời xếp đôi trong bộ mô phỏng năng lượng mặt trời tại Đại học Wuppertal (trái) và máy đo mức năng lượng bằng phổ học quang điện tử tại Đại học Cologne (phải). (Ảnh: Cedric Kreusel/Đại học Wuppertal/Selina Olthof/Đại học Cologne)
Điều này giúp pin lập kỷ lục thế giới về hiệu suất cao nhất với sự kết hợp giữa vật liệu hấp thụ hữu cơ và vật liệu perovskite. Kết quả nghiên cứu công bố hôm 13/4 trên tạp chí Nature.
Các công nghệ pin mặt trời truyền thống chủ yếu dựa trên silicon bán dẫn và được coi là đã tới giới hạn về hiệu quả. Điều này khiến việc phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời mới trở nên cần thiết hơn.
Trong nghiên cứu mới, nhóm nhà khoa học sử dụng kết hợp hai vật liệu hấp thụ. Đầu tiên là các chất bán dẫn hữu cơ - hợp chất gốc carbon có thể dẫn điện trong một số điều kiện nhất định. Chúng được ghép đôi với perovskite, có gốc là một hợp chất chì - halogen, có đặc tính bán dẫn rất tốt. Sản xuất cả hai loại này đều đòi hỏi ít vật liệu và năng lượng hơn nhiều so với pin silicon truyền thống.
Ánh sáng mặt trời gồm các thành phần quang phổ khác nhau, cụ thể là màu sắc, nên pin mặt trời hiệu quả phải chuyển đổi được càng nhiều ánh sáng thành điện năng càng tốt. Các chuyên gia có thể làm được điều này với pin mặt trời xếp đôi. Loại pin này kết hợp nhiều vật liệu bán dẫn, mỗi vật liệu hấp thụ các dải quang phổ mặt trời khác nhau.
Trong nghiên cứu mới, chất bán dẫn hữu cơ được sử dụng cho ánh sáng khả kiến và cực tím, còn perovskite hấp thụ hiệu quả trong vùng cận hồng ngoại. Các tổ hợp vật liệu tương tự từng được nghiên cứu trước đó, nhưng nhóm chuyên gia Đức đã thành công trong việc tăng đáng kể hiệu suất.
Ban đầu, những pin perovskite - hữu cơ tốt nhất thế giới có hiệu suất khoảng 20%. Nhóm chuyên gia Đức đã tăng hiệu suất này lên 24%. "Muốn đạt được hiệu suất cao như vậy, cần tối thiểu hóa sự thất thoát tại mặt phân cách giữa các vật liệu trong pin mặt trời. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại Đại học Wuppertal phát triển bộ liên kết giúp kết nối vật liệu hữu cơ và vật liệu perovskite về mặt điện tử và quang học", tiến sĩ Selina Olthof tại Viện Hóa Lý thuộc Đại học Cologne cho biết.
Cụ thể, một lớp oxit indium mỏng được tích hợp vào pin mặt trời với độ dày chỉ 1,5 nanomet để giữ cho mức thất thoát nhỏ nhất có thể. Các nhà khoa học tại Đại học Cologne đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá các thuộc tính năng lượng và điện của mặt phân cách cũng như bộ liên kết, từ đó xác định quá trình thất thoát và tối ưu hóa các bộ phận. Mô phỏng của nhóm chuyên gia tại Đại học Wuppertal cho thấy, phương pháp mới có thể tạo ra pin mặt trời xếp đôi hiệu suất hơn 30% trong tương lai.